"MIRA CETI, LA STELLA CON LA CODA" / "MIRA CETI, THE STAR WITH THE VERY LONG TAIL"

Accade spesso in Astronomia che, osservando alcuni oggetti celesti in lunghezze d’onda diverse rispetto a quelle nelle quali hanno il picco di emissione, spesso e volentieri saltano fuori delle sorprese del tutto inaspettate riguardo alle loro caratteristiche fisiche. E così, la gigante rossa Mira Ceti, che a causa delle sua bassa temperatura emette soprattutto nella banda infrarossa dello spettro elettromagnetico, osservata nell’ultravioletto ha rivelato l’inaspettata presenza di una lunghissima coda - da vero record! - di materiale gassoso che la rende, a tutti gli effetti, davvero simile alla classica immagine di una cometa.

 Mira Ceti è nota per essere il prototipo di una categoria di variabili pulsanti dalla quale prende il nome. L'anomalo comportamento luminoso della stella venne notato per la prima vota dall’astronomo olandese David Fabricius a cavallo tra il XVI e il XVII secolo anche se forse già l'astronomo greco Ipparco, nel II secolo a.C. si accorse di qualcosa; in ogni caso, a causa del suo bizzarro ed altalenante comportamento, la stella venne chiamata dallo stesso Fabricius “Mira”, in latino “la meravigliosa”. E non è difficile capirne il motivo. Mira fu, infatti, la prima stella variabile ad essere scoperta, seguita qualche anno dopo da Algol (Beta Persei, prototipo delle variabili ad eclisse con orbita vista quasi di taglio) anche se, molto probabilmente, anche quest’ultima venne notata in antichità, quindi ben prima della scoperta avvenuta nel 1670 ad opera dell'italiano Geminiano Montanari.

Potessimo osservare con attenzione la costellazione Cetus (il Mostro marino,  spesso impropriamente chiamata "Balena") comodamente in ogni notte dell'anno e, soprattutto, senza il disturbo del Sole che le transita vicino in primavera, noteremmo la presenza - per un breve periodo non superiore ad un mese! - l'apparizione e, da li a poco, la seguente scomparsa di una stella dalla colorazione tipicamente rossastra che, al massimo della luminosità diviene perfettamente visibile ad occhio nudo, il tutto ripetendosi, ciclicamente, a distanza di 332 giorni: quella stella, situata poco sotto la testa del mostro marino, è proprio Mira.

La sua variabilità, che è di carattere intrinseco rispetto a quello, ad esempio, che governa le variazioni di luce delle variabili ad eclisse come Algol, Beta Lyrae o Epsilon Aurigae, venne pienamente compresa con i primi passi dell’astrofisica stellare: quando, cioè, fu finalmente chiaro il destino futuro di stelle aventi la massa del nostro Sole. A tutti gli effetti, possiamo dire con estrema certezza che Mira rappresenta una finestra aperta sul futuro della nostra stella madre. Miliardi di anni fa, infatti, Mira era una stella molto simile al Sole, sia per massa, raggio, temperatura che per luminosità; ad un certo punto, quando le riserve di idrogeno nel suo nucleo - utili per la produzione di energia tramite reazioni termonucleari - finirono, essa si gonfiò a dismisura diventando una "gigante rossa", un corpo in realtà non governato da un perfetto equilibrio come accade per il Sole e, generalmente, per tutte le stelle cosiddette “di sequenza principale”. Questo, l’essenziale motivo della sua variabilità, apprezzabile, come visto, anche ad occhio nudo, e che la porta ad essere soggetta quasi ad enorme respiro: un fenomeno durante il quale la sua stessa luminosità varia di ben 1700 volte tra la minima e la massima magnitudine!

Tale comportamento è, infatti, caratteristico delle stelle di massa solare che, lungo il loro percorso evolutivo, attraversano quella fase chiamata “ramo asintotico delle giganti” (AGB, in inglese), nome preso dall’area identificata nel famoso diagramma H-R: si tratta di stelle giunte alla fase finale della loro vita, la cui struttura interna è modificata a tal punto da avere non un solo ma ben due aree, disposte l'una sopra l'altra a mo di guscio, entro le quali avviene simultaneamente il bruciamento del combustibile nucleare: in quello più esterno al nucleo, l’idrogeno viene convertito in elio mentre nel vero nucleo della stella l’elio viene convertito in carbonio e ossigeno.

L'efficienza combinata di tali fusioni è tale da produrre una notevole quantità di energia la cui pressione di radiazione porta tali stelle a gonfiarsi a dismisura fino a divenire un vero colosso in grado di riempire uno spazio corrispondente all'orbita di Marte ma, allo stesso tempo, molto rarefatta, specie nelle sue parti più esterne. Durante questa fase, le stelle subiscono consistenti fenomeni di perdita di massa, i quali hanno un ruolo importante nell'arricchimento del mezzo interstellare.

Assieme alla piccolissima compagna, una nana bianca che orbita attorno ad essa in circa 500 anni, Mira solca gli spazi cosmici alla supersonica velocità di 130 km/s, quasi il doppio della velocità con la quale il Sole orbita tranquillamente la Galassia! Tale inusuale velocità deriva, forse, da effetti fionda - vere e proprie spinte gravitazionali - ricevute da altre stelle alle quali potrebbe essersi avvicinata in passato. E il fatto di disperdere costantemente materiale gassoso nello spazio, unito alla sua velocissima corsa nelle oscurità del cosmo, è alla base della sorprendente scoperta del Galaxy Evolution Explorer (GALEX), avvenuta ormai qualche anno fa. Si tratta di un telescopio spaziale che possiede un campo visuale estremamente ampio tale da consentirgli di scandagliare ampie porzioni di cielo alla ricerca di fenomeni insoliti e unicamente visibili in questa banda dello spettro elettromagnetico. GALEX ha scansionato il cielo nell’ultravioletto dal 2003 fino allo scorso anno, quando è stato dimesso: inaspettatamente, nelle immagini relative all’area occupata dalla costellazione della Balena era presente una struttura che assomiglia a una cometa con una smisurata coda centrata proprio su Mira, totalmente invisibile nelle frequenze ottiche dello spettro elettromagnetico!

Tenendo conto della distanza della stella, valutata attorno ai 420 anni-luce, e dell’estensione angolare di tale coda, è possibile risalire alla reale grandezza di questa struttura, che risulta incredibilmente allungata per ben 13 anni-luce dalla stella madre: nulla di simile è stato visto, finora, attorno ad altre stelle! Per renderci meglio conto di cosa significhi quel valore, potremmo dire che la coda di Mira è estesa per una lunghezza equivalente a tre volte la distanza che separa il Sistema Solare da Alpha Centauri - il sistema stellare a noi più vicino - o, in termini a noi più “consoni”, a 20.000 volte la distanza media tra Plutone e il Sole! Osservando con attenzione l’immagine prodotta da GALEX, è possibile notare non solo come Mira sia avvolta in una sorta di “chioma cometaria” formata dal materiale da poco espulso e che ancora ne avvolge la tenue atmosfera (struttura, questa, che potrebbe essere definita come una nebulosa proto-planetaria) ma anche l’onda d’urto creata dall’accumulo di gas situati nella direzione del suo moto. Non solo: nell'immagine sono ben visibili flussi di materia curvilinei che la stella emette in direzioni diametralmente opposte.

 A questo punto, la domanda sorge spontanea: a cosa è dovuta la luminosità di tale gas se Mira ha una temperatura superficiale così bassa, stimata in soli 2200 K, non sufficiente per “ionizzare” il gas come normalmente avviene nelle nebulose attorno alle calde stelle azzurre? La risposta va cercata nel meccanismo noto come “fluorescenza”: il gas presente nell'onda d'urto è compresso contro le polveri interstellari il che ne aumenta sensibilmente la temperatura, rendendola altissima: i raggi ultravioletti vengono quindi assorbiti dal gas circostante e riemettessi ad una lunghezza d'onda maggiore (e quindi a energia minore) rendendosi, appunto, "fluorescente” nell’ultravioletto. Un fenomeno molto simile a quello che accade nelle comuni lampade fluorescenti. Non è quindi la fredda stella la responsabile della luminescenza della sua coda bensì gli stessi suoi gas, compattati e surriscaldati.

Il materiale gassoso, in fase di allontanamento dalla stella, si attorciglia a formare strutture simili a piccoli vortici, creando la turbolenta scia visibile e simile ad una coda cometaria. Dovendo fare di paragoni con effetti comuni, potremmo dire che tale processo è davvero simile a quanto avviene quando una fende l’acqua producendo una scia increspata dietro di se. Stelle di questo tipo formano, solitamente, quegli splendidi ma effimeri (in termini temporali astronomici!) oggetti chiamati "nebulose planetarie"; molto probabilmente, l'enorme velocità del moto di Mira non permetterà al materiale gassoso espulso dalla stella di restare in un certo senso “fermo” o ancorato ad essa come usualmente accade nelle comuni nebulose planetarie; al contrario, esso verrà spazzato via, come da tempo accade.

La prima immagine qui sotto è quella ripresa dal GALEX a fine 2006 nel lontano ultravioletto; in essa è ben visibile l’onda d’urto prodotta dall’avanzare di Mira, dalla quale dipartono sbuffi di materia biancastra prodotti dall'intenso vento stellare prodotto dalle regioni polari della stella. La seconda immagine mostra la posizione Mira nella costellazione del Mostro marino. La terza immagine è invece una sovrapposizione di quella ottenuta da GALEX nell’ultravioletto (in alto) con un’immagine tratta dalla Digitized Sky Survey nella luce visibile; la porzione di cielo è la stessa. Questo da la misura della sorpresa che colse i ricercatori quando osservarono per la prima volta l'enorme coda fluorescente della stella!

In ogni caso, è quasi spaventoso pensare - tarando il tutto sulla scala temporale umana – che l’enorme quantità di materia formante la sua coda è stata rilasciata dalla stella nel corso degli ultimi 30.000 anni: in altre parole, Mira iniziò a rilasciare il materiale gassoso nello spazio - al ritmo corrispondente alla perdita di una massa terrestre ogni dieci anni - quando sulla Terra si verificò la scomparsa dell’uomo di Neanderthal! L’enorme mole di materiale rilasciato nello spazio è tale che si stima essere sufficiente a formare qualcosa come 3000 pianeti delle dimensioni della Terra e ben 9 delle dimensioni di Giove! Quasi come la scia prodotta da una bacchetta magica, la coda fluorescente rilasciata da Mira, costituita essenzialmente da idrogeno, elio, ossigeno, carbonio ed altri elementi (seppur in percentuali minori), andrà in un lontano futuro a creerà nuove stelle, pianeti e, forse, anche la vita.

As it often happens in Astronomy, observing some celestial objects in properly different wavelengths from the ones in which they have the emission peak, completely unexpected surprises about their characteristics jump out. Such as this, the red giant Mira Ceti which, because of its low temperature emits mainly in the infrared band of the electromagnetic spectrum, observed in the ultraviolet has revealed the unexpected presence of a very long tail (a real record!) of gaseous material that makes it, in effect, very similar to the classic image of a comet tail!

 Mira Ceti is known to be the prototype of a class of pulsating variables from which it takes its name. The anomalous behavior of the bright star was noticed for the first time by the Dutch astronomer David Fabricius in between the sixteenth and seventeenth century, though perhaps already the greek astronomer Hipparchus in the second century BC noticed something about it; in any case, because of its bizarre behavior and swinging, the star was called by Fabricius himself "Mira", in Latin "the wonderful one". And it is not difficult to understand why. Mira was, in fact, the first variable star to be discovered, followed a few years later from Algol (Beta Persei, prototype eclipsing variables with orbit seen almost cutting) although the last one was noted in antiquity, so well before its discovery in 1670 by Italian astronomer Geminiano Montanari.

If we could observe carefully the constellation Cetus - the sea monster, often improperly called “the whale" - comfortably in every night of the year and, above all, without the disturbance that passes near the Sun in the spring, we would notice the presence - for a short period of up to a month! – then the appearance and, a little later, the following “death” of a star of such a typical reddish coloration that, at maximum brightness becomes clearly visible to the naked eye. It repeats such a cycle every 332 days: that star, located just below the head of the sea monster, is Mira.

Its variability, which is an intrinsic behavior compared to those ones which control the light variations of eclipsing variable stars as Algol, Beta Lyrae or Epsilon Aurigae, was fully understood with the first steps of stellar astrophysics: precisely, when it was finally clear the future fate of stars of the same mass of our Sun. In effect, we can say with great certainty, that Mira is an open window on our own star’s future: billions of years ago, in fact, Mira was a star very similar to the Sun, both for mass, radius, temperature and intrinsic brightness. At a certain point, when the reserves of hydrogen in its core - useful for the production of energy by thermonuclear reactions - ended, it swelled dramatically becoming a bigger and cooler star called a "red giant": a body that’s lost its perfect equilibrium, as is the case for the Sun and, generally, for all the stars of the so-called “H-R diagram main sequence”. This, the essential reason of its variability, appreciable, as seen even with the naked eye, and that leads it to be subject to almost a huge breath: a phenomenon during which its intrinsic brightness varies a 1,700 times between the minimum and maximum magnitude!

 Such behavior is, in fact, a characteristic of stars of solar mass along their evolutionary path through that phase called "asymptotic giant branch" (AGB), a name taken from the area identified in the famous HR diagram: these are stars at the final stages of their life, whose internal structure is modified having now not only one but two different inner areas, arranged one above the other by way of the shell, within both the burning of the nuclear fuel occurs simultaneously: in the most external shell, the hydrogen is converted into helium while in the real core of the star, which has become degenerated, helium is converted into carbon and oxygen.

The combined efficiency of such fusions is likely to produce a significant amount of energy whose radiation pressure brings these stars to swell dramatically to become a true colossus able to fill a space corresponding to the orbit of Mars but, at the same time, very thin, especially in its outer parts. During this phase, the stars undergo significant phenomena of mass loss, which play an important role in the enrichment of the interstellar medium.

Together with the small companion, a white dwarf that orbits around it in about 500 years, Mira sails across cosmic spaces to supersonic speed of 130 km / s, almost double the rate at which the Sun orbits the Galaxy quietly! This unusual speed comes, perhaps, from effects sling - real gravitational forces - received from other stars which may have been approached in the past.

And the fact of dispersing constantly gaseous material in space, combined with its fast race in the darkness of the cosmos, is the basis of the surprising discovery of the Galaxy Evolution Explorer (GALEX) telescope, which took place a few years ago. It is a space telescope that has an extremely wide field of view which has enabled him to fathom large portions of the sky in search of unusual phenomena and only visible in this band of the electromagnetic spectrum. GALEX has scanned the sky in the ultraviolet from 2003 until last year, when he was discharged: unexpectedly, in the images of the area occupied by the constellation Cetus was a structure that resembles a comet with a huge tail centered precisely on Mira totally invisible in the optical frequencies of the electromagnetic spectrum!

Taking into account the distance of the star, estimated to be approximately 420 light-years, and the angular extension of the tail, it has been possible to determine the real size of this structure, which is incredibly stretched for 13 light-years from the star mother! Nothing similar has been seen, so far, around other stars! To make us more aware of what that value actually is, we could say that Mira's tail is extended for a length equivalent to three times the distance that separates the solar system from Alpha Centauri - the star system closest to us - or, in terms to us more “responsive” to 20,000 times the average distance between Pluto and the Sun! Look carefully at the image produced by GALEX, you may notice not only as Mira is wrapped in a kind of “cometary coma” formed by the material which was recently expelled and that still surrounds the tenuous atmosphere (structure, this, that could be defined as a proto-planetary nebula) but also the shock wave created by the accumulation of gas located in the direction of its motion. Not only: in the image, curvilinear material flows that the star emits in diametrically opposite directions are clearly visible.

 At this point, the question arises: what is due the high temperature of that gas if Mira has a surface temperature so low, estimated at only 2200 K, certainly not enough to "ionize" the gas as normally occurs in the nebulae around the hot blue stars? The answer lies in the mechanism known as "fluorescence": the gas present in the wave shock is compressed against the interstellar dust which increases considerably the temperature, making it extremely high: the ultraviolet rays are then absorbed by the surrounding gas and re-emitted to a longer wavelength (and therefore lower energy) by being, in fact, "fluorescent" in the ultraviolet. A phenomenon very similar to what happens in ordinary fluorescent lamps. So, it is not the cold the star responsible for the luminescence of its tail but the same gas, compacted and overheated.

Leaving  the star, the gaseous material is twisted to form structures similar to small vortices, creating the turbulent wake visible that’s like a comet tail. Having to make comparisons with common effects, we could say that this process is very similar to what happens when one cuts through the water, producing a trail rippled behind him. Stars of this type form, usually, those beautiful but ephemeral (in terms of astronomical time!) objects called "planetary nebulae"; most likely, the enormous velocity of motion of Mira will not allow the gaseous material expelled by the star to stay in a sense "still" or anchored to it as usually happens in the common planetary nebulae; on the contrary, it will be swept away, as by a long time happens.

The first image below was taken by GALEX, late in 2006, in the far ultraviolet; it is clearly visible in the shock wave produced by the advance of Mira, from which branch off puffs of whitish material products produced by the intense stellar wind that leave by the star’s polar regions. The second image shows the location of Mira in the constellation of the sea monster. The third image is an overlay instead of that obtained from GALEX ultraviolet (top) with an image from the Digitized Sky Survey in visible light; the portion of the sky is the same. This gives a measure of surprise that caught the researchers when they observed for the first time the huge tail fluorescent of the star!

In any case, it's almost scary to think - calibrating all on a human timescale - that the huge amount of material forming its tail was released from the star over the last 30,000 years: in other words, Mira began to release the material gas into space - at the rate corresponding to the loss of a land mass every ten years - when on Earth occurred the disappearance of the Neanderthals! The enormous amount of material released into space is estimated to be sufficient to form something like 3000 planets the size of Earth and well 9 the size of Jupiter! Almost like the wake produced by a magic wand, the tail fluorescent released by Mira consists mainly of hydrogen, helium, oxygen, carbon and other elements (albeit in smaller percentages), will go far in the future to create new stars, planets and, perhaps, even life.